S13《车辆与行走机械的静液压驱动》| 静液压机械功率分流技术

[ 第三章 ]

车辆与行走机械应用静液压

驱动技术的发展历程

建立在静液压机械功率分流技术上的突破

拖拉机应用静液压驱动技术的真正突破，表现为静液压机械功率分流技术在这一领域的大面积成功应用。功率分流技术的基本原理中包含了对于不同传动方式性能的综合，在一定意义上是通过牺牲次要工况区的性能来优化主要工况区的性能。

本期继续王意教授《车辆与行走机械的静液压驱动》一书第三章的研读之旅，一起来了解静液压驱动技术在车辆和行走机械中的应用发展历程之：建立在静液压机械功率分流技术上的突破。

应该说，拖拉机应用静液压驱动技术的真正突破，甚至有人再次将其称为“革命”的决定性进步出现于20世纪90年代的欧洲，表现为静液压机械功率分流技术在这一领域的大面积成功应用。这一技术借鉴在液力传动领域中已经十分成熟了的功率分流传动技术，利用多自由度的行星齿轮差速器将静液压和机械两种传动进行了深度的契合，终于研制成功了既能发挥静液压驱动调节性能好，又能利用机械传动效率高，兼备两者各自优点的静液压机械功率分流无级变速箱，继而实现了装有这种无级变速箱的大中功率拖拉机的批量投产，在推广应用方面站稳了脚跟。

其实在历史上人们早已了解了这种功率分流技术的基本原理，并在以行星齿轮差速器为分、合功率流部件的“外功率分流”技术和直接以液压元件本身壳体和心轴的差动进行分、合功率流的“内功率分流”技术领域进行过多年的探讨和研究。前述图3-1b即为一种内分功率流型静液压机械-无级变速装置的雏形。20世纪60年代，德国Allgaier公司曾在固定设备用静液压无级变速箱的技术基础上，试制了装备有内功率分流的静液压机械无级变速箱的轮式拖拉机（图3-13）。在很宽的速度范围内，该变速箱实测传动效率都超过了80%。但它所采用的工业用“点接触”型轴向柱塞元件在行走机械的使用条件下的功率密度和运转寿命都较低，因而没有能够继续发展，令人遗憾。但由此也可以看出，虽然静液压机械功率分流技术的重要特征是在主要作业工况下利用机械机构分担了大部分功率的传输，但这并不意味着可以降低对其中静液压元件的要求。相反，只是在经过几代人的努力，以轴向柱塞变量泵和马达为代表的功率传输基础性能和质量都达到了很高的水平以后，负荷参数较之单纯静液压驱动系统更为多变，匹配与控制也更为复杂和困难的静液压机械功率分流传动装置才得以成功进入商品化的实用阶段。不过目前已成气候的只是外功率分流型无级变速箱。图3-10 和3-13所示的装置则体现了中外科技人员在20世纪60-70年代间为创制实用型的内、外功率分流静液压机械传动装置所进行的前期努力。

功率分流技术的基本原理中包含了对于不同传动方式性能的综合，在一定意义上是通过牺牲次要工况区（如倒驶）的性能来优化主要工况区（如犁耕）的性能。因此采用这种技术的前提之一是设计者对于相关车辆与行走机械的载荷谱有深入的了解。需要再一次强调的是：凡是包含机械传动元素的功率分流系统，原则上都只能以整体式变速箱的形式构成。所以无论是静液压机械或者是正在发展的电力机械的功率分流传动与纯静液压和纯电力传动相比较，在显著提高了主要工况区传动效率的同时，却必然会使这两种传动技术原本在性能匹配和结构布局这两方面所具备的灵活性有所削弱。

首先跨过成功门槛的是德国人。在20世纪90年代初，先是著名的Ruhl-Bochum（波鸿）大学的Jarchow领导的团队与Claas（克拉斯）等公司合作，对于分段式功率分流静液压机械无级变速箱进行了多年研究，提出了多种方案的设计；然后在1994年，一向富有创新精神的德国最大的拖拉机制造厂Fendt（芬特）公司（现属AGCO集团）推出了其与著名的行走机械变量液压泵和马达制造厂商Sauer公司强强合作研发的 “Vario”型全程式液压机械功率分流式无级变速箱，配置在一种功率为191 kW的Fendt Favorit 926型大功率拖拉机上，开始了人们自50年代以来在农业拖拉机上应用静液压驱动技术的又一次勇敢的实践尝试（图3-14）。欧美国家的一系列第三方检测试验报告中的数据表明，该型拖拉机在各项作业的生产率方面，相对于同等功率的装有负荷换挡的变速箱的拖拉机都具有明显的优势，例如平均犁耕速度要高20-25 %，对青饲玉米的田间收割切碎作业的生产率要高16-20 %等等。这首先要归功于无级变速箱在变速时没有功率中断现象，并可使动力传动系统和驱动轮经常保持较高的负荷率的特点。同时，较之负荷换挡变速箱远为方便简单的操作要求所带来的舒适性，也使驾驶员能够和乐于用更高的平均速度进行作业。其他的一些优点包括可以在全负荷下切换进退方向、动力输出轴可以独立工作以及本身具有优异的持续低速微动性能而无须单设爬行挡等等。实践中不仅液压机械功率分流式无级变速箱本身的寿命超过了1万小时，而且装有无级变速箱的拖拉机的柴油发动机的寿命和保养期也有所延长，证明了它在保持发动机稳定运转和抑制负荷波动和冲击方面的能力。这些成就显示了它们已达到了人们所期待的降低全寿命使用成本的目标，终于获得了以苛刻挑剔著称的西欧农场主用户们的首肯。

装有静液压机械功率分流型无级变速箱的Fendt品牌的大功率拖拉机已于1995年开始批量生产，接着又有装有同型无级变速器的中等功率的700系列拖拉机（4个型号，功率85—118 kW）及其他型号的产品陆续投入市场。这种后来干脆就以变速箱“Vario”冠名的拖拉机系列的成功，使得曾经率先在拖拉机上采用力位调节的液压悬挂装置的英国Massey Ferguson（马塞.弗格森）公司也跟进推出了装有采用同样技术的“Dyna-VT“无级变速箱的MF8600拖拉机系列。加入这一阵营的还有英国JCB公司带弹性悬架、最高速度超过了70 km/h的高速拖拉机Fastrac 8250。稍后，奥地利的Steyr（斯太尔）公司与德国著名的齿轮传动装置厂商ZF公司以及静液压驱动元件名家Linde公司合作，研制成功了多段无级变速的“S-Matic“型功率分流静液压机械变速箱（图3-15），先后被应用于Steyr的CVT系列、美国Case IH（凯斯-万国）的CVX系列和New Holland（纽荷兰）的T7500 TVT系列等大中功率的拖拉机上。随后ZF公司独立开发的“Eccom”系列功率分流静液压机械无级变速箱则被用于德国Deutz-Fahr（道依兹-法尔）的TTV系列、意大利SAME（萨姆）的“Iron-Continuo”系列和美国John Deere（约翰.迪尔）的6020系列拖拉机上，后者并在此基础上自行研发了新型的功率分流静液压机械无级变速箱“Auto Powr”。ZF公司制造的“Eccom3.5”型无级变速箱号则为德国克拉斯（Claas）公司的“Xerion” 3300型大功率拖拉机所装用。同期，意大利Carraro公司则开发了功率较小的VaryT系列无级变速箱。

笔者在此罗列了数量如此之多，但仍然并不完全的有关厂家和产品型号，是要说明在农业拖拉机这个最早尝试应用静液压驱动技术的产品的领域中，经过几十年的潮起潮落，终于出现了整机、液压元件和齿轮装置等各方面多个一线厂家协同研发静液压机械功率分流无级变速箱的壮观井喷场面。这与以前几次向市场推出静液压驱动的拖拉机只是个别厂家的单打独斗，其他同行大多袖手围观的情况形成了鲜明对照，一种瓜熟蒂落、水到渠成的感觉油然而生。据悉，国内一些相关院所和厂家也恢复了这方面的研讨，并在国家促进国产大马力拖拉机发展的若干优惠政策的鼓励和支持下，开始探索新的课题。这很令人振奋。

时至今日，已经进入了成熟期的静液压机械功率分流无级变速箱技术并没有停止其发展的脚步，而是继续在向应用的深度和广度进军。在21世纪的第一个十年内，Fendt Vario系列的静液压机械功率分流无级变速箱已制造了10万台以上，该品牌的大中功率的拖拉机已全部装用这种无级变速箱，并且实现了仅以3个排量规格的变量泵和变量马达，就覆盖了从51 到286 kW的8个整机系列的无级变速箱的配套需要，通用化程度达到了较高的水平。ZF的第六万台“Eccom”系列分段无级变速的静液压机械功率分流变速箱亦已下线。它在将较小功率的静液压功率分流无级变速箱整合为统一的Eccom1.3型之后，于2011年起陆续推出的最新一代的“Terramatic”系列无级变速箱更综合了S-Matic和Eccom两个系列各自的优点。新系列的第一批产品配套范围为功率147 – 235 kW（200 – 320PS）的大型拖拉机，2012年面世的“Terramatic 11”则供功率级65至85kW的较小拖拉机使用。这些新型变速箱的壳体侧面设有便于检视的窗口，在进一步提高了功率密度的同时，还开发了在相当于机械传动装置的主离合器分段处设置了功率达50-70kW的发电机模块的变型，用以适应为越来越多的电力传动的农具的供能的需要。这种结构也为日后应用混合动力技术预留了发展空间。作为欧洲拖拉机传动装置的主要供应商之一，ZF型新系列变速箱的另一个特点，是其在与发动机和拖拉机后桥配合的两个接口装配面能与该公司同功率级别的负荷换挡变速箱及同步器换挡变速箱通用互换（图3-16）。这将有利于维持和扩大传统配套的整机市场份额。

现在装有静液压机械功率分流变速箱的主要为大中型的拖拉机，功率范围约为40 – 350 kW，它们的行驶速度一般都达到50km/h以上。ZF公司的功率为478 kw（650PS）的 “Eccom5.0”则针对其他的非公路型车辆用户。不过这些无级变速箱在部分负荷时的比油耗仍然较高，而平均价格还是要比传统变速箱的拖拉机要高出3000-6000欧元。虽然全寿命使用成本已经令人满意，但较高的初始购置价格依然是它们的一个弱项。